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摘要
随着全球环境的恶化,一次能源的日益缺乏,绿色能源中的电能成为其中的侵伎者,而电动汽车更是其在交通领域应用的翅楚。电动汽车的动为来源于电池,受当前动力电池技术水平的制约,电池的体积问题、环保问题、使用寿命问题和单次充电时间过长问题成为了限制电动车发展的主要问题和推广的瓶颈。
电动汽车充电的主要方式有:接触式和非接触式两种,接触式的充电方式现在己经在电动车上应用广泛,但这种方式存在诸多问题,如当接触式充电使用快速充电模式时,其充电电流非常的大,会直接对局域电网产生影响,并对整个电网的稳定性产生隐患,接触式充电插接操作繁琐且费时费力十分不方便,当线材老化时会带来一系列的安全问题。相对于接触式充电,非接触式充电电能通过埋在路面下的发射挺置无线的方式传送给接收装置,从而使电动车少搭载甚至无需搭载储能电池组、延长续航里程、提高电能供给的便捷性和安全性。
本文首先对磁共振式无线传能的原理从数学和电路两个角度进行了阐述。对比四种常用无线传能拓扑结构,确定了系统选用双串联补偿拓扑结构。对系统从数学和电路角度,建立了控制算法模型,为实际系统设计提供指导。
本文研巧了基于磁共振技术的非接触式充电系统的控制方法。采用PID控制器实现电动汽车的闲环充电,提高了传输的安全可靠性,并对系统为电动汽车进行稳定H段式充电的方案进行详细研巧。在实际的方案实施中,本文选用32位处理器作为主控器,.通过蓝牙2.0模块进巧通讯,根据接收端发来的数据对充电的发射端进巧实时的调节,从而实现软件的闲环设计,通过硬件锁相环技术完成对频率的跟踪,实现发射端的闭环调节,最终完成软硬件设计。
关键词：电动汽车;非接触式充电;自动充电;三段式充电
Abstract
With the deterioration of the globa 1 environmentj and the growing lack of primary energy,electrical energy of green energy has been 0ne of the best, and electric vehicles is its leader in the field of transportation applications. Electric vehicle,s power comes from the battery, restricte a by the development level of current power battery technology, the size,environmental and life issues,and the bng single charge time problem of the battery, which limit the development of electric vehicles has become the main problera.
The main classification of charging is as follows: wire and wireless, but there are many problems in wire charging, such as while wire charging is under faSt charging mode, its charging current is very large, that will directly affect the bcal power grids, and indirectly affect the entire power grids. Contact charging's plug is cumbersome, time-consuming and inconvenience, and the aging wire will bring a series of safe questioa In contrasty wireless charging is transmitted wirelessly to the receiving device through k wireless launcher,so that the electric vehicle can be mounted with little or no battery pack, and the increased mfleage.
In this paper, the control method of wireless charging system based on magnetic resonance technology is studied. The PID controller is used to realize the closed-bop charging,and the safety and reliability of the transmissionarc inprovcd. the scheme of three-stage charging for the electric vehicle is studied in detai.
From the view of mathematics and circuit, the author sets controi algorithm model, for the actual system desiga.
In this paper, the principle of magnetic resonance energy transfer based on the princyle of the circuit and the transformer equivalent model are described in two ways. Conmpared with the four commonly used wireless transmission topology, dual series compensation topology is selecthd for the systhm. In the actual iiqplementation of the program, we use a 32-bit MCU as the controUor, through the Bluetooth 2.0 module th communicate,accoiding to the data sent by the receiver th charge the transmitter in real-time adjustment, in order to achieve the software closed-bop design, through APLL technology th complete the tracking of the frequency Id achieve the transmitter closed-bop regulation, the final compfetio。of hardware and software desiga.
Key words: electric vehicles; Wireless charging; Automatic charging; A three-stage charging
随着人类社会电气化程度日益加深,规模庞大的互联电网已经得到了广泛应用。在电网中起着电能传输作用的金属导线数量巨大,维系着整个电网的架构,成为连接发电、输电、配电、用电的重要纽琳。虽然这种电线(或电缆)供电的输电方式已经发展得十分成熟,但因其触电接触摩擦产生火花、绝缘与导体耗损等问题,会缩短使用寿命,甚至危害供电安全性与可靠性以。此外,在对电能传输方式的技术经济性、灵活性、安全性、可维护性等有更高要求的特殊场景,传统的接触式电能传输方式己经不能满足应用需求,例如:地面上某些边远山区、高原和海岛,虽蕴藏丰富地热资源、势能资源、太阳能资源等,却由于地形复杂,线路架设难度大,在当地建立的地面水电站、太阳能电站等无法对外输送地下矿井等需要解决电为应急供应问题的地点;日常生活中错综复杂的家电设备的电线带来了空间上和视觉上的困扰;地面行驶的电动汽车或空中飞行的各种飞行器等处于运动状态的电力供应的目标以;这些目标目前仍无法通过传统的有线能量传输方式对其直接提供能量。
无线传能为缓解上述问题找到了新的方法依据,它的发现为解决供输电存在的一些难题提供了又一种解决思路,甚至可能导致人类生产和生活方式的重大变化。美国《技术评论》杂志将其评价为"会给人们带来巨大变革的十大硏究方向之一";电工技术学会五十周年活动上,无线传能技术被称为"10大未来科技"。目前,无线输电技术己成为在国内外各界都备受关注的热点技术,全球各国均投入大量的人力和物为资源,竞相争夺和抢占这一科技制高点。
电动汽车经过最初的发展阶段,停滞和恢复期,开始迅速发展。远在19世纪后期,发明家Robert Davidsson,在英国制作了世界上第一台可实际应用的电动汽车,其上使用的是一次铁锋电池驱动的电机作为动力驱动汽车。而随后在1890年美国的第一辆纯电机驱动汽车被成功研制,在那之后法国和德国也分别在1899年与1900年获得第一台纯电动汽车研制的胜利,这是最初的发展阶段以。
20世纪前叶起动机的成功研制,使用内燃机作为动力的汽车迅速发展,致使以电机作为动力的汽车完全停滞发展。到第二千世纪中叶,由于燃料汽车带来的环境问题和石油资源问题带来的紧张局势不断加剧,各地区和国家开始了电动汽车的发展和推广,电动汽车的发展开始复苏。现阶段电动汽车的优势很明显,发展也十分迅猛,但诸如最高速度和续航里程等制约电动汽车的进一步发展。
在国家电网公司方面,为配合国家对电动汽车网络建设的规划目标,在测刚发布的《国家电网公司十H五电网智能化规划》中指出:要在2025年前,公司在该地区运营、建设1000座电动汽车充换电站和24万个充电粧,形成基本电动汽车充电服务网络。而采用无线充电技术为电动汽车充电,不仅可有效缓解传统充电粧数量有限和扩建新充屯站需占用大量用地等问题,同时也能符合低碳经济发展原则和避免一些安全事故。另外一方面,虽然无线输电技术拥有良好的应用前景,但无线输电技术在推广应用的过程中,其电磁兼容所带来的安全性问题一直受到人们所关注。由于无线电力传输技术的工作频段大多分布在kHz和MHz频段,高频功率在发射时所改散在空间中的高频电磁波在一定程度上对周围环境、周围设备、生物体等产生影响。但实际上高频电磁波的产生仅仅发生在工作过程中,并且如果定位准确,使用磁屏蔽技术可以很好的解决电磁兼容问题,所以不难看出无线充电技术需耍一套完备的充电控制系统去控制其进行准确定位,并且在合适时机开断。
本文工作源于国家自然科学基金重点项目"基于智能模块技术的高压直流断路器短路开断相关理论研究(No.51337001)"和新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)开放课题"直流真空断路器弧后介质恢复研究(No.LAPS16017)",主要工作如下:
通过对磁谐振式无线传能技术的研究,对磁谐振调功原理进行分析,实现三段式电动车非接触无线充电的方式。基于电动车在自动化充电特性分析,实现近场区磁场谐振禅合机制与能量传输,进而实现三段式充电。建立系统物理数学模型,对电动车无线充电系统进行控制算法分析,选择最佳方案,实现系统设计。
本文基本结构和主要研究内容如下：
第一章在查阅国内外相关研究文献基础上,分析了接触式供电所存在的缺陷,综述了电动汽车和无线充电的应用现状,引入无线传能技术,分析国内外现有研究现状以及无线传能发展趋势。
第二章基于无线充电系统中控制系统的必要性与重要性分析,面向无线充电需求,提出控制策略,给出电路设计方案。针对磁谐振无线传能原谊逆变产生的高频电压和电流,给出安全采集设计方案。
第兰章基于磁谐振式基本原理分析,将数学模型建立与电路分析相结合。通过比对分析现有的双串联谐振、串并联谐振、并串联谐振、双并联谐振四种无线传能拓扑结构特征,结合电动车无线传能特点,选择双串联磁谐振拓扑结构作为系统拓扑结构。针对双串联谐振拓朴结构,建立物理数学模型,并在MATLABSimulink仿真环境下,针对所搭建的充电模型进行了控制与仿真分析,为后续样机设计提供仿真基础和理论依据。
第四章在现有模型条件下进行样机设计与系统巧环控制。在第二章硬件设计基础上采用无线通讯方法,设计出针对发射端和接收端全系统闭环调节模块。并一台500W电源为控制对象进巧实验分析与定量描述,以验证三段式充电的可行性和有效性。
第五章基于电动汽车无线三段式充电理论模型建立、控制方法选择与实验研究进行总结,并针对无线充电系统的应用做展望分析。
无线传能控制系统联调：
控制器最小系统
RS485模块
RS485智能电表
两级继电器输出
工业控制屏
地而端独立调试系统
电压电流采集模块
红外定位装置
车载总控制器
车载控制系统第一版
系统联调测试图
集成地面主控制器
集成的地面控制端
定位装置改进图
化化后的电压电流采集模块
目录
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 无线传能国内外研究现状
1.2.1 国外研巧现状
1.2.2 国内研巧现状
1.3 论文研巧目的及意义
1.4 论文主要研巧内容与结构安排
第二章 无线传能原理与算法建模
2.1 无线传能技术基本理论
2.2 磁称合与谐振理论
2.3 磁谐振式无线传能系统结构与原理
2.3.1 磁谐振式无线传能系统结构
2.3.2 电动车无线传能系统拓扑结构选择
2.3.3 磁谐振式无线传能系统原理
2.4 磁谐振式无线无线传能系统模型
2.4.1 基于赖合模理论的磁谐振式无线传能模型
2.4.2 基于电孙理论的磁谐振式无线传能模型
2.5 三段式无线充电系统模型
2.5.1 电池三段式充电
2.5.2 恒流阶释的建模
2.5.3 恒压阶段的建模
2.5.4 无线传能兰段式充电仿真
2.6 本章小结
第三章 控南脏计
3.1 车载控制方案
3.2 地面控制器方案
3.3 控制方案中的电路方案
3.3.1 供电电源方案
3.3.2 外围采集方案
3.3.3 外困控制方案
3.3.4 通讯方案
3.4 控制方案中的调功方案
3.4.1 调功方案的分类
3.4.2 直流母线调压调功方法
3.4.3 逆变调功方法
3.5 本章小结
第四章 样机设计与系统联调
4.1 样机的设计
4.1.1 地面发射端设计
4.1.2 车载接收端设计
4.2 样机的改进设计
4.2.1 地面端的改进
4.2.2 车载端的改进
4.3 系统联调
4.4 本章小结
第五章 总结与展望
5.1 总结
5.2 展望
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢
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